摘要：细菌挥发光谱(volatilome)富含可用于代谢研究与感染性疾病诊断（包括菌种鉴定及潜在的快速抗菌药物敏感性试验）的信息。稳健可靠的顶空(headspace)采样对捕获细菌排放物至关重要。本文介绍一种标准化的细菌顶空采样技术，用于细菌培养皿生长过程中可重复、实时的挥发光谱分析。该系统基于惰性体积采样器(inert volume sampler)，可在受控温度与相对湿度（如37°C和80%）下从接种样品中累积并触发提取痕量微生物挥发性有机化合物(microbial volatile organic compounds, mVOCs)。通过高分辨率质量流量控制器(mass flow controllers, MFCs)实现集成样品稀释，以满足质谱仪和化学传感器等多种分析工具的动态范围要求。内置分析物气体标准品可在测量间进行校准。研究人员评估了该采样器对典型mVOCs（乙醛(acetaldehyde)、丙酮(acetone)、苯(benzene)及乙醇(ethanol)）在相关浓度范围低至50×10-9（体积分数，ppb）下的采样特性。使用DSM 613 Escherichia coli（大肠埃希菌）进行的体外(in vitro)测试证实，该系统可准确捕获反映细菌生长期生理变化的mVOC动态，并通过质子转移反应飞行时间质谱(proton transfer reaction time-of-flight-mass spectrometry, PTR-ToF-MS)进行了24小时监测。该装置提供了一种兼容多种分析工具、用于探索微生物挥发光谱的标准化方法。
论文解读：细菌顶空采样器用于实时微生物挥发光谱(volatilome)监测
《Advances in Sample Preparation》刊载的此项研究针对微生物挥发性有机化合物(microbial volatile organic compounds, mVOCs)在代谢研究及感染性疾病快速诊断中的应用潜力，指出现有采样方法存在吸附选择性偏差、无法连续纵向监测、缺乏温湿度与氧供控制导致重现性差，以及无内置校准参照等问题。研究人员开发了一套模块化、标准化细菌顶空采样装置，可在37°C与80%相对湿度(RH)及可控氧供条件下对琼脂平板培养物进行mVOCs的累积、触发提取与可调稀释，并集成气体标准品校准功能，联用质子转移反应飞行时间质谱(proton transfer reaction time-of-flight-mass spectrometry, PTR-ToF-MS)验证了系统惰性、稀释准确性及大肠杆菌(Escherichia coli)生长过程mVOC动态捕获能力，为微生物挥发光谱研究与临床快速诊断提供可重现、跨实验室可比的采样平台。
主要关键技术方法：
研究人员搭建双路气流系统——采样线(sampler line)装载聚四氟乙烯(PTFE)制螺旋顶空采样罩（~91 mL）密合于90 mm培养皿，主线(main line)提供背景与稀释气——均由质量流量控制器(MFC)调控并经鼓泡加湿至80% RH，恒温箱维持37°C。采用 certified gas standards 与 PTR-ToF-MS（H3O+试剂离子，漂移电压600 V，m/z定量）做五点校准。使用 DSM 613 Escherichia coli 接种 Mueller–Hinton 琼脂平板，按清洗(cleaning)–孵育(incubation, 3 mL/min sampler line, 300 mL/min main line)–采样(sampling, 50 mL/min sampler line汇入250 mL/min main line, 稀释比1:6)–冲洗(flushing) 循环执行24 h 三点重复实时顶空监测，同步拍照记录菌落生长。
3.1. Bacteria headspace sampler design considerations and operation
研究人员通过恒温水浴风扇与RH传感器证实采样腔内37°C与80% RH可稳定维持24小时。双路分离设计既保持仪器线恒流，又通过调节采样线与主线汇流比实现可控稀释(1:6可有效消除PTR-ToF-MS对>3 ppm丙酮的饱和低估，8 ppm实测误差由53%降至3%)，并可抑制高湿对仪器影响；PTFE材质与螺旋形腔体减少分析物吸附及载气掺混，允许mVOCs在顶空累积后可靠提取。
3.2. Sample Dilution & System inertness
以500 ppb乙醛连续脉冲测试，系统响应与恢复时间分别为6 s与9 s，50 ppb–1 ppm范围响应一致且基线完全复原，表明惰性良好无显著吸附；丙酮、苯表现相似，乙醇响应/恢复稍长(15 s/22 s)提示轻微滞留，整体适用于痕量至ppm级 mVOCs 检测。
3.3. Monitoring Escherichia coli growth
高密度接种 E. coli DSM 613 平板三组重复，PTR-ToF-MS 实时监测显示：乙醛初始~1 ppm，约8 h达峰~6 ppm后骤降至~200 ppb，反映不同生长阶段底物利用差异；丙酮前17 h稳于~100 ppb随后升约十倍；苯基本恒定源自培养基本底。三重复现相同动态趋势，证明系统可重复捕捉生长期 mVOC 时变特征。
讨论与结论翻译
所建立的标准化顶空采样装置可在受控孵育与环境条件下稳健、定量获取细菌挥发光谱，解决挥发光谱研究中可重现性采样难点并支持实验室间比对。其兼容质谱与新兴化学传感技术，可用于微生物代谢系统研究与诊断挥发性标志物识别，特别适于快速抗菌药物敏感性试验。以 Escherichia coli 的概念验证表明，该系统生成可重复的时间分辨数据集，可与先进数据分析结合挖掘临床相关模式，为医疗与生物技术领域的快速诊断与连续监测奠基。该装置亦适用于真菌培养物、人体活检样本及寄生虫等其他生物样本。
— CRediT贡献声明略 —
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